Химмотология ракетных и реактивных топлив, страница 14
Описание файла
Документ из архива «Химмотология ракетных и реактивных топлив», который расположен в категории «книги и методические указания». Всё это находится в предмете «топлива и теория рабочих процессов в жрд» из восьмого семестра, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «книги и методические указания», в предмете «топлива и теория рабочих процессов в жрд» в общих файлах.
Онлайн просмотр документа «Химмотология ракетных и реактивных топлив»
Текст 14 страницы из документа «Химмотология ракетных и реактивных топлив»
Рис. 4.2. Зависимость теплоемкости жидкого водорода от температуры при различных давлениях (цифры у кривых, МПа)
(Ср) и при постоянном объеме (cv) в зависимости от температуры могут быть рассчитаны по уравнениям
Зависимости динамической вязкости, а также диэлектрической проницаемости, теплопроводности и поверхностного натяжения жидкого водорода от температуры приведены на рис. 4.3. Изменения этих же свойств жидкого водорода в зависимо-
Рис. 4 3 Зависимость диэлектрической проницаемости , теплопроводности , поверхностного натяжения и вязкости ) жидкого водорода от температуры
Рис. 4.4. Зависимость давления насыщенных паров жидкого водорода от температуры:
P1. P2 и р — давления для соответствующих температур T1, T2 и Tз
сти от температуры (Т) могут быть вычислены по следующим уравнениям:
На рис. 4.4 представлена зависимость давления насыщенных паров жидкого водорода от температуры.
Наибольшим давлением насыщенных паров характеризуется параводород. Чем выше температура, тем более заметна разница в давлении насыщенных паров параводорода и нормального водорода. Давление насыщенных паров (р) жидкого водорода в зависимости от температуры (Т) можно вычислить по уравнению (гПа):
При хранении больших объемов жидкого водорода важное значение приобретает коэффициент его термического расширения а, который зависит от температуры:
Водород способен адсорбироваться на поверхности металлов. Диффузия водорода в металлы возрастает с повышением температуры и давления. При атмосферном давлении диффузия водорода в железо начинается при 400 °С и резко возрастает при температурах 1450—1550 °С, когда в одном объеме железа растворяется до двух объемов водорода. Это связано с тем, что при 1539 °С железо плавится. Наибольшая растворимость водорода в палладии, в одном объеме которого может раствориться 850 объемов водорода. Диффузия водорода в металлы ухудшает их твердость, термическую стойкость, текучесть, электрическую проводимость, магнитные и другие свойства. При растворении водорода в углеродистой стали в ней появляются пузырьки и трещины вследствие газовой водородной коррозии. Последняя возникает при декарбонизации углеродистого сплава по схеме: Fe2C+2H2=2Fe+CH4. Этот процесс устраняется путем легирования стали добавкой хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других элементов [49].
В условиях нормальных и отрицательных температур водород мало активен. Его реакционная способность сильно возрастает при нагревании, под воздействием ультрафиолетового и
радиоактивного облучения, а также в присутствии катализаторов. Повышение активности водорода связано с образованием атомарного водорода, обладающего высокой реакционной способностью.
Водород энергично взаимодействует с окислителями. Так, взрывом сопровождается реакция водорода с фтором при температуре —252 °С даже в темноте. С хлором и бромом водород реагирует лишь на свету или при нагревании, а с иодом — только при нагревании. Контакт жидкого водорода с жидким кислородом может сопровождаться взрывом [50].
Водород обладает высокой термической стабильностью. Заметное разложение его на атомы происходит только при тем-лературах выше 2500—3000 °С. В ряде ЖРД водород используют для охлаждения стенок камер сгорания и реактивного сопла [4].
Жидкий водород (и другие криогенные компоненты) ракетных топлив в баках ракет в условиях космоса склонны к тепловому расслаиванию. Для предотвращения этого явления в США предложено перемешивать криогенные компоненты ракетных топлив с помощью струи продукта, подаваемой вдоль оси бака [51].
4.1.2. ШУГООБРАЗНЫЙ, ГЕЛЕОБРАЗНЫЙ И ТВЕРДЫЙ ВОДОРОД
Для увеличения дальности и продолжительности полетов современных и перспективных орбитальных, лунных и’межпланетных космических кораблей необходимо улучшать эксплуатационные свойства жидкого водорода. В первую очередь имеется в виду снижение испаряемости и повышение плотности до-дородного горючего. С этой целью в последние годы разработаны три новых вида водородного горючего: шугообразный, гелеобразный и твердый [52—54].
Шугообразный водород представляет собой жидкий продукт, в составе которого содержится 39—59% твердого водорода. Применение шугообразного водорода на космических кораблях типа «Аполлон» может увеличить полезную нагрузку приблизительно на 5800 кг.
Большие трудности возникают при хранении, перекачивании и заправке ракет шугообразным водородом. Для обеспечения длительного хранения его в условиях полета необходима высокоэффективная изоляция. Перекачивать шугообразный водород по теплоизолированным трубам можно центробежными насосами или путем выдавливания. Если содержание твердой фазы менее 40%, шугообразный водород перекачивают по трубопроводам как обычную ньютоновскую жидкость. При содержании твердого водорода более 40% потери давления в трубопроводах увеличиваются, и по характеру перекачивания продукт приближается к суспензиям. В уровнях перекачивания шуго-образного водорода с содержанием твердой фазы менее 40% потери давления в трубопроводах такие же, как и при перекачивании жидкого водорода. Напорные и кавитационные характеристики перекачивающих центробежных насосов для жидкого и шугообразного водорода будут идентичными [55]. Замена жидкого водорода шугообразным позволит не только увеличить на 40% полезную нагрузку, но и в 10 раз сократить потери водорода на дренаж в наземных и космических условиях.
С целью сокращения потерь жидкого водорода от испарения в последнее время уделяется большое внимание получению гелеобразного водорода. Лучшие результаты в этом направлении получаются при желатинизации шугообразного водорода [56]’. Количество гелеобразующего агента прямо пропорционально содержанию жидкости в шугообразном водороде. Разработаны способ получения гелеобразного водорода и условия его стабилизации.
Несомненный интерес для космических полетов представляет использование в ракетной технике твердого водорода, что-позволит дополнительно увеличить полезную нагрузку и уменьшить потери водорода от испарения. На базе твердого водорода при высоких давлениях и низкой температуре можно получить водород, обладающий свойствами металла. Установлено, что для получения такого водорода необходимо создавать давление при прессовании твердого водорода (0,8— 2,6) • 10 s МПа. Металлообразный водород считается перспективным горючим для ракетной космической техники [57].
4.2. СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ
Использование углеводородных соединений в качестве ракетного горючего было предложено К. Э. Циолковским еще в 1914 г. [1, 4], и до настоящего времени они широко применяются в ракетной технике. Высокие энергетические характеристики, наличие сырьевой и производственной базы, относительно невысокая стоимость и малая токсичность, а также большой опыт использования этих горючих в двигателях других типов предопределили повышенный интерес к ним как к горючим для жидкостных ракетных двигателей. Наибольшее распространение получили горючие типа керосина на основе дистиллятов прямой перегонки нефти (фракция 140—280 °С) и продуктов вторичной ее переработки. Применяют также горючие широкого фракционного состава с температурой выкипания 65— 280 °С, в составе которых находятся бензиновые и лигроиновые фракции (табл. 4.1) ‘[58].
Для улучшения эксплуатационных свойств, и в первую очередь энергетических, а также повышения стабильности углево-
дородные горючие подвергают глубокому гидрированию. В процессе гидрирования снижается содержание ароматических углеводородов и олефинов. Деароматизированные горючие обладают высокими скоростью и полнотой сгорания, а также лучшими низкотемпературными свойствами [4].
В последнее время повышенный интерес проявляется к синтетическим углеводородным горючим, которые представляют собой индивидуальные углеводороды либо смесь нескольких углеводородов с заданными энергетическими 
характеристиками и эксплуатационными свойствами. Как правило, это—эндотермические соединения с повышенной плотностью. Энергия, затраченная на образование таких соединений, дополнительно выделяется при их сгорании в камере двигателя [59, 60].
Состав горючих. Углеводородные ракетные горючие обычно включают лигроиновые, керосиновые и частично газойлевые фракции нефти. В. горючее широкого фракционного состава входят также бензиновые фракции с пределами выкипания 65—180 °С [14]. По способу производства горючие делят на прямогонные, гидрированные, крекинговые и синтетические.
Углеводородный состав прямогонных ракетных горючих зависит от их фракционного состава и сорта перерабатываемой нефти (табл. 4.2) [61, 62]. Элементный состав углеводородных горючих представлен в табл. 4.3.
В качестве примесей в углеводородном горючем присутствуют сера, азот- и кислородсодержащие соединения, включая смолистые вещества, растворимые в горючем. Содержание этих примесей невелико, однако в ряде случаев они отрицательно влияют на эксплуатационные свойства горючего. Содержание органических соединений серы может составлять 0,5—1,5%, азоторганических соединений—до 0,12%, кислородсо
держащих—0,1—0,25% и смолистых веществ—0,005—0,025% [63]. Кроме того, в виде коллоидных и мелкодисперсных частиц размером 20 мкм в горючем имеются (до 0,0003%) твердые микрозагрязнения. Это продукты коррозии железа и минеральные примеси, включающие соединения кремния, кальция, магния, алюминия и натрия [62—64]. В углеводородных горючих в растворенном виде присутствуют также вода (0,003—0,009%) и кислород (0,0052—0,007%) [65].
Состав и физико-химические свойства высокоплотных синтетических ракетных горючих представлены в табл. 4.4. Структуры углеводородов, входящих в эти топлива, показаны ниже:
Как получить жидкий водород
Как и для любого другого газа, сжижение водорода приводит к уменьшению его объёма. После сжижения жидкий водород хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород используется в промышленности (в качестве формы хранения газа) и в космонавтике (в качестве ракетного топлива).
Содержание
История [ править | править код ]
Спиновые изомеры водорода [ править | править код ]
Использование [ править | править код ]
Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные проекты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например DeepC [en] или BMW H2R [en] ). Благодаря близости конструкций, создатели техники на «ЖВ» могут использовать или только дорабатывать системы, использующие сжиженный природный газ («СПГ»). Однако из-за более низкой объёмной плотности энергии для горения требуется больший объём водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо «СПГ» в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.
Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.
Преимущества [ править | править код ]
Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода, но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при его горении образуется также незначительное количество оксидов этого газа. В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность.
Препятствия [ править | править код ]
Один литр «ЖВ» весит всего 0,07 кг. То есть его удельная плотность составляет 70,99 г/л при 20 K. Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду, но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день [8] ). При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом («Водородная безопасность») — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности — всего 7 градусов Цельсия, что создает определенные трудности при хранении.
Ракетное топливо [ править | править код ]
Жидкий водород является распространенным компонентом ракетного топлива, которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов. В большинстве жидкостных ракетных двигателей на водороде, он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя, перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги. Используемые современные двигатели на компонентах H2/O2 потребляют переобогащенную водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счет уменьшения молекулярного веса, это ещё сокращает эрозию сопла и камеры сгорания.
Такие препятствия использования ЖВ в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель («Дельта-4»), которая целиком является водородной ракетой. В основном ЖВ используется либо на верхних ступенях ракет, либо на разгонных блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамерзшей формы ЖВ.
Водород с разными окислителями [ править | править код ]
| Оптимальное расширение от 68.05 атм до условий: | поверхности Земли (1 атм) | вакуума (0 атм, расширение сопла 40:1) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H2 | распространено | 3816 | 4.13 | 2740 | 0.29 | 2416 | 4462 | 4.83 | 2978 | 0.32 | 2386 | |
| H2-Be 49/51 | 4498 | 0.87 | 2558 | 0.23 | 2833 | 5295 | 0.91 | 2589 | 0.24 | 2850 | ||
| 3126 | 3.36 | 3245 | 0.71 | 1920 | 3719 | 3.63 | 3287 | 0.72 | 1897 | |||
| H2 | 4036 | 7.94 | 3689 | 0.46 | 2556 | 4697 | 9.74 | 3985 | 0.52 | 2530 | ||
| H2-Li 65.2/34.0 | 4256 | 0.96 | 1830 | 0.19 | 2680 | |||||||
| H2-Li 60.7/39.3 | 5050 | 1.08 | 1974 | 0.21 | 2656 | |||||||
| H2 | 4014 | 5.92 | 3311 | 0.39 | 2542 | 4679 | 7.37 | 3587 | 0.44 | 2499 | ||
| H2 | 3871 | 4.80 | 2954 | 0.32 | 2453 | 4520 | 5.70 | 3195 | 0.36 | 2417 | ||
| H2 | 3997 | 3.29 | 2576 | — | — | 2519 | ||||||